Legionella pneumophila, der Erreger der Legionärskrankheit, ist ein Umweltkeim mit Verbreitung in aquatischen Habitaten. Die Keime sind in der Lage, sich intrazellulär in eukaryontischen Zellen, wie Makrophagen, Monozyten und Protozoen zu vermehren. Die erfolgreiche Besiedlung ökologischer Nischen, aber auch das Virulenzpotential des Keimes können dabei von Umweltfaktoren abhängen. Die Erforschung ökologischer Zusammenhänge kann daher für das Verständnis der bakteriellen Virulenz von großer Bedeutung sein. Ausgangspunkt dieser Arbeit ist die in der späten stationären Phase des Bakterienwachstums von L. pneumophila zu beobachtende intensive Pigmentierung des Kulturmediums. Für diesen Phänotyp ist das Legiolysin (Lly) verantwortlich. Es ist eines der wenigen bekannten Genprodukte von L. pneumophila, die einen Einfluß auf das Überleben des Keimes in der Umwelt haben. Legiolysin kann daher als Fitnessfaktor bezeichnet werden. Um die ökologischen Zusammenhänge der Pigmentgenerierung näher zu untersuchen, wurde das lly-positive Plasmid pEWL 1 subkloniert und sequenziert. Neben lly konnten in diesem Genabschnitt durch Sequenzvergleiche der abgeleiteten Aminosäuresequenzen sechs weitere Leseraster detektiert werden. Die drei unmittelbar benachbarten Gene von lly kodieren dabei für Proteine mit Funktionalität in Bezug zur lly-Determinante, während die drei upstream von lly liegenden Leseraster Homologien zu Proteinen aufweisen, die an Transportprozessen beteiligt sind. Die Länge des RNA-Transkripts von lly konnte im Northern-Blot mit ungefähr 1,8 kb bestimmt werden und läßt damit auf die gemeinsame Transkription des lly-Gens mit dem unmittelbar upstream liegenden Leseraster schließen. Durch Sequenzanalysen konnte aufgezeigt werden, daß das für diesen Phänotyp verantwortliche Legiolysin-Gen für eine p-Hydroxyphenylpyruvat-Dioxygenase (HPPD) kodiert. Dieses Enzym katalysiert die Umsetzung von p-Hydroxyphenylpyruvat zu Homogentisat (HGA). In Zusammenarbeit mit Prof. P. Proksch (Pharmazeutische Biologie, Würzburg) konnte im Vergleich zu lly-negativen L. pneumophila- und rekombinanten E. coli-Stämmen in den Kulturüberständen von lly-positiven Stämmen auf Basis einer Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC) HGA nachgewiesen werden. Es konnte somit gezeigt werden, daß das Legiolysin-Gen für ein Protein mit HPPD- Aktivität kodiert, und in die Degradation der aromatischen Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin involviert ist. Des weiteren wurden chromosomale Integrationsmutationen der aus L. pneumophila stammenden Gene lly und mip ("macrophage infectivity potentiator") in E. coli K-12 Stämmen erstellt. Diese wurden nachfolgend in ökologisch ausgerichteten Langzeitstudien eingesetzt. Die chromosomale Integration von lly erfolgte als ortsspezifische Rekombination in die l att - site von E. coli WM 2269. Die Integration von mip erfolgte in die fim-Region des E. coli K-12-Stammes AAEC 160. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit befaßt sich mit ökologischen Studien zur Persistenz von L. pneumophila in der Umwelt. Durch die Bestrahlung mit Licht über einen Verlauf von sieben Tagen konnte gezeigt werden, daß die Exprimierung von lly zu einer Persistenz unter Lichtstreß führt. Dieser Lichtschutz könnte in der Umwelt, aber auch bei der Sanierung von Wasserleitungssystemen mittels UV-Licht Relevanz aufweisen. Die Assoziation von L. pneumophila JR32 und JR32-1 (lly-negativ) mit dem Cyanobakterium Fischerella wurde in Mikrokosmen über einen Verlauf von sieben Tagen beobachtet. Dabei konnte gezeigt werden, daß Legionella in Assoziation mit Fischerella bzw. in dessen Überstand zu persistieren vermag, während dies den Bakterien in frischem Fischerella-Medium nicht möglich war. Wie die Coinkubation der Fischerellen mit L. pneumophila JR32-1 zeigte, spielt die Expression von lly dabei keine Rolle. Ein Wachstum der Bakterienkulturen konnte weder im Fischerella-Überstand, noch in Fischerella-Medium beobachtet werden. Durch Rasterelektronenmikroskopie konnte der adhäsive Charakter der Assoziation von L. pneumophila zu Fischerella dokumentiert werden. Durch Persistenzstudien von L. pneumophila und E. coli in Boden wurde die Überlebensfähigkeit der Mikroorganismen in suboptimaler Umgebung getestet. Für Legionella ist eine rapide Abnahme der Zellzahl schon nach kurzer Zeit zu detektieren. Nach sechs Tagen konnten keine Zellen mehr kultiviert werden. Die Defizienz der Pathogenitäts- und Umweltfaktoren Mip, Fla (Flagellin) und Lly hatte dabei keinen Einfluß auf die Persistenz der Bakterien im Boden. Zudem sind die zuvor generierten rekombinanten E. coli-Klone AAEC 160-1 und WM 2269-1 mit genomischer mip- bzw. lly-Integration eingesetzt worden. Innerhalb von vier Wochen konnte für diese Stämme eine kontinuierliche Reduktion der Zellzahlen beobachtet werden. Somit erwies sich keiner der Organismen als erfolgreicher Besiedler der Bodenprobe. Die Studien zum Verlust der Kultivierbarkeit von L. pneumophila und E. coli erfolgten in autoklaviertem Leitungswasser bzw. PBS und zwei unterschiedlich behandelten Varianten von Mainwasser. Neben sterilfiltriertem Mainwasser fand die Inokulierung der Organismen auch in einem Ansatz mit autoklaviertem Mainwasser statt. Es konnte gezeigt werden, daß L. pneumophila in Leitungswasser und Mainwasser außerordentlich gut zu persistieren vermochte. Zudem konnte dokumentiert werden, daß auch E. coli DH5a in ein lebensfähiges, aber nicht mehr kultivierbares Ruhestadium (viable but nonculturable, VBNC) eintreten kann. Parallel zur Ermittlung der CFU-Werte wurden während des Verlaufs der Experimente die Lebendzellzahlen durch Fluoreszenzfärbungen bestimmt. Der Übergang von L. pneumophila in das VBNC-Ruhestadium wurde zudem durch in situ - Hybridisierungen mit fluoreszenzmarkierten 16 S rRNA-Oligonukleotidsonden dokumentiert. Im Naturhaushalt spielt dieser Übergang zu VBNC-Stadien bei Umweltbakterien zur Überwindung ungünstiger Phasen eine große Rolle. Schließlich erfolgten Experimente zur Reaktivierung der VBNC-Ruhestadien. Diese Reaktivierung ist abhängig von speziesspezifischen Triggern und kann bei L. pneumophila durch Coinkubation mit Acanthamoeba castellanii erfolgen. / Legionella pneumophila, the causative agent of the Legionnaires' disease, is an environmental strain with a widespread distribution in aquatic habitats. Legionella are able to replicate intracellularly in eucaryotic cells, such as macrophages, monocytes and protozoa. The sucsessful colonization of ecological niches, but also the virulence potential of Legionella depends on environmental factors. Therefore the investigation of ecological context is expected to provide an understanding of bacterial virulence. The starting-point of this dissertation is the intensive pigmentation of the culture medium of L. pneumophila, witch could be observed in the late stationary phase of bacterial growth. The Legiolysin proteine (Lly) is responsible for this phenotype. This gene product of L. pneumophila is known to show an influence on the survival in the environment, which is why Legiolysin has been termed a fitness factor. In order to investigate the ecological connections of the pigmentation, the lly-positive plasmid pEWL 1 was subcloned and sequenced. In this genetic section six further open reading frames (ORF) could be detected besides lly by sequence comparison of the derived amino acid sequences. The three directly neighbouring genes of lly code for proteins which have functionality with regard to the lly-determinant. The three reading frames upstream of lly show homologies to proteins, which are involved in transport processes. The RNA transcript of lly could be determined by Northern blot with a lenght of about 1,8 kb. Therefore transcription of the lly gene together with the upstream ORF is suggested. It could be shown by sequence analysis, that the Legiolysine gene responsible for this phenotype, is coding for a p-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD). This enzyme catalyzes the reaction of p-hydroxyphenylpyruvate to homogentisate (HGA). In collaboration with Prof. P. Proksch (Pharmazeutische Biologie, Würzburg) the existence of HGA was demonstrated in culture supernatants of lly-positive strains on the basis of high performance liquid chromatography (HPLC). It could be shown, that the legiolysin gene is coding for a protein with a HPPD activity, and, therefore, is involved in the degradation of the aromatic amino acids Phenylalanine and Tyrosine. Additionally chromosomal integration mutants of the L. pneumophila genes lly and mip ("macrophage infectivity potentiator") were created in E. coli K-12 strains. These mutants were subsequently used in ecological long-time studies. The chromosomal integration of lly took place as a locus-specific recombination in the l att - site of E. coli WM 2269. The integration of mip happened in the fim-region of the E. coli strain AAEC 160. The second part of the present dissertation is concerned with ecological studies to the persistence of L. pneumophila in the environment. Accordingly, it could be shown, that the expression of lly leds to persistence to light-stress. This light protection could be relevant in the environment, but also during the sanitation of water pipes by UV-light. The association of L. pneumophila JR32 and JR32-1 (lly-negative) with the cyanobacterium Fischerella was observed in microcosms during a course of seven days. Legionella are able to persist in association with Fischerella, and in the Fischerella culture supernatant, respectively. Survival of the bacteria was not possible in fresh Fischerella medium. However, the expression of lly shows no difference, as could be shown by the coincubation of L. pneumophila with Fischerella. The growth of bacterial cultures cold neither be detected in supernatants of Fischerella, nor in fresh Fischerella medium. The adhesive character of the association of L. pneumophila with Fischerella could be documented by SEM (scanning electron microscopy). The survival of Legionella in suboptimal environment was tested by studying the persistence of L. pneumophila and E. coli in soil. A rapid decline of CFU (colony forming unit) for Legionella could be detected within a short time, as cells could not be cultivated any more after six days. The deficiency of the pathogenetic and enviromental factors Mip, Fla (Flagellin) and Lly had no influence on the persistence of the bacteria in the soil. Additionally the recombinant E. coli clones AAEC 160-1 and WM 2269-1 with the genomic mip and lly integrations, were used in this exreriments. During a course of four weeks, a continuous reduction of CFU could be observed for these strains. Therefore none of these organisms proved successful in colonization of soil samples. The studies regarding the loss of culturability of L. pneumophila and E. coli were made in autoclaved potable water and PBS (phosphate buffered saline), respectively, and in two variants of Main river water, one of which was autoclavedwhile the other one was sterilized by filtration. It could be shown, that L. pneumophila are able to persist well in potable water and in the river water. Additionally, not only L. pneumophila, but also E. coli DH5a entered a viable but nonculturable state (VBNC). During the course of these experiments, the numbers of live cells were determined by fluorescence dyes Moreover, the transition of L. pneumophila into the VBNC state was documented by in situ hybridization technique with fluorescence marked 16 S rRNA oligonucleotide probes (FISH). This transition into the VBNC state plays an important role to overcome unfavourable phases in natural environments. Finally experiments were made to reactivate the VBNC states. This resuscitation is dependent on species specific triggers and could be achieved by coincubation of L. pneumophila with the amoeba Acanthamoeba castellanii.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:83 |
| Date | January 1999 |
| Creators | Flügel, Manfred |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf, application/pdf, application/pdf, application/pdf, application/pdf, application/pdf, application/pdf, application/pdf, application/pdf, application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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